2016/02/16 00:00 【日经BP社报导】使用组合只有1～3层原子那麽厚的“二维（2D）材料”，拥有不同性能 的器件有可能接连出现。比如，像羽衣一样薄的柔性超高性能微处理器、感测器、大面积 超高效率的LED以及太阳能电池等。 2D材料的代表先驱——石墨烯由於具有很多出色的特性而被视作梦幻材料注1）。但是， 石墨烯只存在一大课题。那就是带隙基本为0。虽然可以用於电极材料及模拟元件，但难 以用於逻辑电路。 注1）比如，石墨烯的理论载流子迁移率高达100万cm2/Vs，并且导电率是铜（Cu）的大约 100倍，导热率和机械强度跟金刚石一样高等等。 最近几年陆续发现的新型2D材料中，也有几种具有带隙的材料。其中具有代表性的是六方 氮化硼（h-BN）、过渡金属的硫化物群——TMD♀、以及磷（P）的2D材料——磷烯（ Phosphorene）♀（图1）。 ♀TMD（Transition Metal Dichalcogenide）＝由MX2结构构成的2D材料。M代表钼（Mo） 及钨（W）等过渡金属。X代表硫璜（S）、硒（Se）、碲（Te）等硫族元素。MoS2虽然本 体的能带结构为间接迁移型，但2D材料变成直接迁移型，高效发光。MoS2是n型半导体， WS2是p型半导体。 ♀磷烯（Phosphorene）＝只由P构成的2D材料。由磷烯层叠而成的材料叫做“黑磷（ Black Phosphorus：BP）”，跟石墨一样，颜色为黑色。半导体不管层数多少都是p型， 多层磷烯的带隙为0.3eV。随着层数减少，带隙增大，单层磷烯的带隙约为1.9eV。 h-BN、TMD及磷烯的原子间结构。h-BN的原子间结构跟石墨烯相近，厚度只有1个原子厚。 而TMD有3个原子厚，磷烯有2个原子厚。 （点击放大） h-BN的带隙达到5.2eV，基本是绝缘体，但TMD、磷烯及由多层磷烯层叠而成的黑磷（BP） 的带隙跟Si等比较接近，作为可代替已接近微细化极限的Si的“後Si”有力候补，开始备 受关注。 美国德大学奥斯汀分校推断的采用各种2D材料及IGZO的TFT的性能范围。色深的点表示该 大学试制的TFT的性能值。（b）中各材料的用途实例也是由该大学推断的。（图为本站根 据IEDM 2015的图绘制而成） 美国德大学奥斯汀分校的研究人员期待采用TMD及BP的TFT实现柔性、轻量、超高性能的无 线设备等。目前已试制出TFT，并确认可在数G～数十GHz下工作。 以前的柔性器件的半导体材料候补是有机半导体及InGaZnO（IGZO）。但载流子迁移率最 高为数十cm2/Vs左右，难以实现GHz工作的器件。可以说随着TMD和BP的问世，柔性器件的 性能差异消失了。 通过组合扩大可能性 2D材料越来越多意味着不仅可以弥补石墨烯的弱点，通过组合还可以扩大可实现的器件种 类。比如，TMD的一种——MoS2是n型半导体，而TMD的WS2及BP仍是p型，通过组合这些材 料，可以构成pn结，可以实现大面积的柔性LED、太阳能电池以及CMOS结构的半导体等。 有的组合还实现了跟石墨烯相近的性能。最近备受关注的是像三明治一样将1片石墨烯夹 在2片h-BN之间的h-BN/石墨烯/h-BN。石墨烯容易受接触材料的影响，这成为其性能降低 的一大原因。通过夹在带隙大、事实上是绝缘体的h-BN之间，预计实际的器件也能够实现 跟石墨烯的理论载流子迁移率——100万cm2/Vs接近的性能（图3）。最近的试制实例也获 得了室温下载流子迁移率为10万cm2/Vs以上，极低温下为35万cm2/Vs的结果。 博世正在开发的利用霍尔效应的磁感测器（霍尔感测器）的性能基於各种材料的推断值和 实测值等。霍尔元件的材料为将石墨烯夹在2片h-BN之间（a）。载流子迁移率在室温下也 高达2万～10万cm2/Vs。试制感测器的霍尔系数是现有的基於Si的霍尔感测器的100倍。而 耗电量只有Si类元件的1/100（推断值）。 实现高灵敏度、省电的磁感测器 德国车载设备汽车厂商德国罗伯特博世对此非常关注。该公司还自主开发出了各种感测器 ，成为其业务支柱之一。该公司利用h-BN/石墨烯/h-BN试制出了利用霍尔效应的磁感测器 ，左右灵敏度的霍尔系数RH的值为7000（图3（b））。这是霍尔元件采用Si时的100倍， 也超过作为高灵敏霍尔元件材料广为人知的InSb。并且理论上，耗电量只有Si的1/100。 面临的课题是量产技术。“至少要等5年才能在试产线上量产高品质且大面积的元件”（ 罗伯特博世公司从事Corporate Research的Robert Roelver）。 不过，石墨烯及其他2D材料的制造工艺也在加快开发速度。也有可能用不了5年，采用2D 材料的高性能器件就可以达到实用化。（记者：野泽 哲生） --

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